基于模型的风电机组变桨距系统故障预测的研究

【摘要】：随着风电事业的迅猛发展,变桨距风机正在逐步取代定桨距风机,成为风电机组的主流机型。变桨距系统在风电机组中起着至关重要的作用,它根据风速的大小和功率的变化随时对叶片的桨距角进行调节,从而最大化风能转换、稳定风电机组的功率;与此同时,变桨距系统的频繁微调也加剧了它的磨损和老化,相对于风电机组的其它部件,变桨距系统发生故障的可能性大大增加;而且,变桨距系统安装在距离地面几十米高的轮毂内,内部空间十分狭小,从而使得变桨距系统的维修、维护非常困难,加大了人力、物力等的投入成本;更重要的是,若不能及时发现变桨距系统的故障并采取合理的措施进行处理,将有可能引发整个风力发电机组发生灾难性的事故,故对其进行故障预测的研究对延长风机安全稳定运行时间和减少风电场运行维修费用具有重要意义。本文提出了基于模型的故障预测方法对风机的电动和液压变桨距系统进行故障预测:(1)基于模型的风机电动变桨距系统故障预测。首先根据电动变桨距系统的控制过程及其结构建立了能反映其动态特性的数学模型,随之,建立了风机其它关键部件的数学模型以构成用于电动变桨距系统故障预测的闭环系统的数学模型,并使之与实际风机系统并行运行,形成残差;随后采用残差的均方根(RMS)作为残差估计函数对残差进行处理,提取故障特征,将由噪声、扰动等因素引起的残差变化的最大值作为故障预测的阈值,并考虑系统的延迟和误警率,实现了电动变桨距机构的故障预测。(2)采用结合自适应阈值的基于模型的故障预测方法对风机液压变桨距系统进行故障预测。液压变桨距系统的工作原理完全不同于电动变桨距系统,而且结构更为复杂。本文建立了能体现液压变桨距系统实际动态特性的数学模型,并使之与根据故障建模理论建立的系统的故障模型并行运行,随后采用自适应阈值对其进行故障预测。自适应阈值的采用减小了模型误差及外界环境因素对风电机组液压变桨距系统故障预测的干扰,提高了预测结果的准确性。在MATLAB实验平台上,通过编程实现了以上算法,分别对电动变桨距系统、桨距角传感器、电液比例方向阀和液压缸的故障预测进行了仿真验证,并取得了比较好的仿真结果,表明了所提方法的正确性和有效性。 【关键词】：电动变桨 液压变桨 模型 故障预测 残差的均方根 自适应阈值
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题研究背景和意义10-13
• 1.2 风力发电现状与发展趋势13-14
• 1.3 风电机组故障预测技术国内外研究现状14-17
• 1.3.1 国外研究现状15-16
• 1.3.2 国内研究现状16-17
• 1.4 本论文的主要工作17-19
• 第2章 风机变桨距系统故障类型与状态监测19-25
• 2.1 风机变桨距系统的结构与作用19-21
• 2.2 变桨距角控制21
• 2.3 风机变桨距系统常见故障21-23
• 2.3.1 电动变桨距系统常见故障21-22
• 2.3.2 液压变桨距系统常见故障22-23
• 2.4 状态监测23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第3章 基于模型的风机变桨距系统故障预测方法25-31
• 3.1 引言25
• 3.2 基于模型的故障预测方法的基本原理25-26
• 3.3 故障系统建模26-27
• 3.4 残差生成方法27-28
• 3.5 残差评估及阈值的设计28-30
• 3.5.1 残差估计函数28-29
• 3.5.2 阈值设计29-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第4章 基于模型的电动变桨距系统故障预测31-43
• 4.1 引言31
• 4.2 变桨距系统控制过程及其优点31-32
• 4.3 用于电动变桨距系统故障预测的风机模型32-36
• 4.3.1 风轮模型33
• 4.3.2 传动系统模型33-34
• 4.3.3 发电机模型34
• 4.3.4 桨距角控制器模型34-35
• 4.3.5 电动变桨距系统模型35
• 4.3.6 桨距角传感器模型35-36
• 4.4 电动变桨距系统的故障建模36-37
• 4.5 电动变桨距系统故障预测仿真分析37-41
• 4.5.1 残差估计及阈值设计37
• 4.5.2 仿真结果及分析37-41
• 4.6 本章小结41-43
• 第5章 基于模型的液压变桨距系统故障预测43-56
• 5.1 引言43
• 5.2 液压变桨距系统43-44
• 5.3 液压变桨距系统建模44-49
• 5.3.1 液压变桨距系统各部件模型44-47
• 5.3.2 用于液压变桨距系统故障预测的整机模型47-48
• 5.3.3 液压变桨距系统故障建模48-49
• 5.4 液压变桨距系统故障预测仿真分析49-54
• 5.4.1 残差估计及阈值设计49
• 5.4.2 仿真结果及分析49-54
• 5.5 本章小结54-56
• 第6章 结论与展望56-58
• 6.1 主要工作及成果56-57
• 6.2 需要继续进行的研究工作57-58
• 参考文献58-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文63-64
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作64-65
• 致谢65

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